基于航空攝影的輸電線路環(huán)水保三維設(shè)計應(yīng)用研究

崔艷軍，陶 剛，劉永濤

(1.中能建數(shù)字科技集團有限公司，北京 100040；2.北京洛斯達科技發(fā)展有限公司，北京 100040）

0 引言

隨著我國電力工程環(huán)保設(shè)計要求的不斷提高，線路工程環(huán)水保審批和驗收要求越來越嚴(yán)格。傳統(tǒng)設(shè)計一般通過文字或圖片的方式記錄成果，存在設(shè)計力度不夠，無法形象化表達設(shè)計成果等問題[1-2]，可研、初設(shè)與施工圖各設(shè)計階段環(huán)水保工程量差異較大，環(huán)水保要求落實困難，同時也給管理和審計帶來了較大壓力，而三維設(shè)計可以進行全地理信息要素展示和空間分析，也能更貼近實際、更準(zhǔn)確進行長度、面積和體積的量測，與傳統(tǒng)設(shè)計方式相比較，在三維中進行環(huán)水保設(shè)計工作，可極大提升設(shè)計工作的效率，同時能滿足國家電網(wǎng)有限公司(以下簡稱“國家電網(wǎng)”)對環(huán)水?！耙凰粓D”設(shè)計工作的要求，目前三維技術(shù)在建筑、礦山等領(lǐng)域中應(yīng)用取得不錯的效果[3]，所以進行環(huán)水保三維設(shè)計的內(nèi)外部條件均已成熟。

設(shè)計人員在三維場景中開展環(huán)水保措施的專項設(shè)計，將三維設(shè)計成果移交給施工單位，可指導(dǎo)施工單位進行形象化施工，并協(xié)助驗收單位在驗收中核實環(huán)水保措施是否到位，強化設(shè)計、施工和竣工驗收全過程的監(jiān)管，提高了線路工程各階段環(huán)水保措施的合理性與連貫性。

1 環(huán)水保三維設(shè)計平臺

1.1 工作流程

根據(jù)國家電網(wǎng)對環(huán)水保實施“一塔一圖”設(shè)計的相關(guān)規(guī)范和要求，建立基于航空攝影的線路工程環(huán)水保三維設(shè)計平臺(以下簡稱“三維設(shè)計平臺”)，梳理該平臺新模式下環(huán)水保措施專項設(shè)計的工作流程，主要步驟如下：

1)以衛(wèi)星像片圖和地形數(shù)據(jù)構(gòu)建整個線路工程的三維場景；

2)以國網(wǎng).gim格式的輸電線路工程為數(shù)據(jù)源，在三維設(shè)計平臺中展示整個線路的排位成果；

3)利用高清航飛影像和高程數(shù)據(jù)在三維設(shè)計平臺上構(gòu)建每基桿塔的精細(xì)化三維場景；

4)梳理環(huán)水保主要措施并進行參數(shù)化，構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化的環(huán)水保設(shè)計措施模型庫；

5)設(shè)計人員根據(jù)桿塔周邊的地形和環(huán)水保設(shè)計要求，進行每基桿塔的環(huán)水保措施三維設(shè)計；

6)多專業(yè)協(xié)同設(shè)計并校審環(huán)水保措施，并形成最終環(huán)水保的三維設(shè)計成果；

7)通過傾斜攝影技術(shù)獲取每基桿塔的三維場景，疊加設(shè)計階段環(huán)水保措施的三維模型，驗證設(shè)計與現(xiàn)場施工的偏差。

1.2 技術(shù)路線

基于三維技術(shù)和航空攝影技術(shù)研發(fā)線路環(huán)水保三維設(shè)計平臺，輔助設(shè)計人員在實際工程中開展環(huán)水保措施的專項設(shè)計作業(yè)，形成一種新的環(huán)水保設(shè)計作業(yè)模式，其工作流程如圖1所示。

圖1 適合新模式下的工作流程圖

1.3 平臺功能介紹

平臺功能如圖2所示。

圖2 平臺功能

1)桿塔三維小場景

采用三維數(shù)字化和GIS技術(shù)建立每基桿塔周邊環(huán)境的三維場景，平臺支持導(dǎo)入勘測地形數(shù)據(jù)和無人機航飛數(shù)據(jù)，結(jié)合每基桿塔的塔腿和基礎(chǔ)，構(gòu)建精細(xì)化的三維小場景。

2)線路三維場景

根據(jù)國家電網(wǎng)線路GIM文件的組織規(guī)則，對導(dǎo)入的GIM線路工程文件的合法性進行校驗，然后對線路GIM文件逐級解析，由此構(gòu)建線路排位的三維場景。

3)環(huán)水保措施參數(shù)庫

實現(xiàn)環(huán)水保措施的設(shè)計與建模，先要進行屬性的參數(shù)化，環(huán)水保措施可分為實物類和方案類2種，確定實物類措施的設(shè)計方法和方案類措施的計算法則，是參數(shù)化的關(guān)鍵；對于像擋土墻、護坡、截排水溝等實物類措施，先要建立各種措施的截圖，確定其控制尺寸，然后根據(jù)輸入的平面定位數(shù)據(jù)確定措施路徑，建立措施統(tǒng)計量與截面尺寸和平面路徑的函數(shù)關(guān)系形成最終參數(shù)化模型。對于余土處理、土地整治等方案類措施，需要明確措施的面積、體積等計算依據(jù)。建立措施統(tǒng)計量與桿塔基礎(chǔ)、立柱尺寸等函數(shù)關(guān)系，完成該類型的參數(shù)化。

4)三維量算

提供在三維球和環(huán)水保三維小場景進行長度、距離、面積等量算，并能夠?qū)崟r計算所需工程量，為工程造價提供計算依據(jù)。

5)數(shù)據(jù)管理

對項目相關(guān)的勘測數(shù)據(jù)、航飛影像、設(shè)計參數(shù)及設(shè)計成果等按照設(shè)計的格式進行存儲，便于環(huán)水保工程最終設(shè)計成果一鍵式導(dǎo)出并進行數(shù)字化移交。

6)數(shù)字化移交

將環(huán)水保措施設(shè)計的成果參照國家電網(wǎng)線路GIM文件的方式，進行數(shù)字化移交，包括地理數(shù)據(jù)、影像數(shù)據(jù)、設(shè)計成果及三維小場景數(shù)據(jù)等。

1.4 關(guān)鍵技術(shù)

1)三維GIS技術(shù)

三維地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)是指能對區(qū)域空間內(nèi)的對象通過X、Y、Z三個坐標(biāo)軸來定義、描述、分析的GIS系統(tǒng)，與定義在二維平面上的對象構(gòu)成的二維GIS具有完全不同的性質(zhì)[4]。三維GIS特點：①空間信息的展示更為直觀，三維GIS為空間信息的展示提供了更豐富、逼真的系統(tǒng)，將抽象難懂的空間信息可視化和直觀化；②多維度空間分析功能更加強大。借助三維GIS技術(shù)，可以把桿塔、絕緣子串、導(dǎo)線和基礎(chǔ)等電力設(shè)備以直觀的三維形式展示出來，可以對電力要素進行量算、校驗和空間分析，提升工程環(huán)水保的設(shè)計能力。

2)航空攝影技術(shù)

航空攝影是指利用航空器安置專用航空攝影儀，從空中對地面或空中目標(biāo)所進行的攝影方式。能減少野外作業(yè)量，減輕勞動強度，并且不受地理環(huán)境條件的限制，具有快速、精確、經(jīng)濟等優(yōu)點。通過航空攝影獲得高精度的點云、高清影像、激光雷達、傾斜攝影等數(shù)據(jù)，為對線路走廊地形、塔位小場景的高精度三維建模提供數(shù)據(jù)支撐，解決了三維場景與真實環(huán)境存在差異的問題，確保三維設(shè)計的準(zhǔn)確性。

3)數(shù)字孿生技術(shù)

數(shù)字孿生，也稱為數(shù)字映射、數(shù)字鏡像，是指在信息化平臺內(nèi)模擬物理實體、流程或者系統(tǒng)，類似實體系統(tǒng)在信息化平臺中的雙胞胎。借助數(shù)字孿生技術(shù)，可以在信息化平臺上了解物理實體的狀態(tài)和對物理實體進行控制[5]。利用數(shù)字孿生技術(shù)，根據(jù)勘測地形數(shù)據(jù)、航飛數(shù)據(jù)、桿塔、基礎(chǔ)等數(shù)據(jù)孿生出真實的三維塔基小場景，更好地對環(huán)水保措施進行判斷與設(shè)計。

4)特高壓數(shù)字化移交

按照國家電網(wǎng)基建〔2018〕585號的要求，公司新建35 kV及以上輸變電工程全面展開三維設(shè)計，因此國網(wǎng)經(jīng)研院于2018年制定了適合輸變電工程建設(shè)、可擴展的國家電網(wǎng)GIM標(biāo)準(zhǔn)體系；以輸變電工程各相關(guān)信息數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)[6-7]，具備完備性、關(guān)聯(lián)性、一致性、唯一性和擴展性等特點，滿足可視化、可分析、可編輯和可出圖等工程全生命周期應(yīng)用需求，為三維環(huán)水保設(shè)計工作的數(shù)字化移交提供了理論依據(jù)。

2 工程實踐應(yīng)用

青海750 kV輸電工程利用了該平臺提出的工作模式，以NSC Globe三維球為開發(fā)平臺，利用云端服務(wù)器數(shù)據(jù)，構(gòu)建多專業(yè)協(xié)同的環(huán)水保三維設(shè)計平臺，創(chuàng)新實現(xiàn)了輸電線路的數(shù)字孿生、環(huán)水保措施三維設(shè)計、工程量估算及設(shè)計成果數(shù)字化移交等,初步實現(xiàn)了環(huán)水保設(shè)計由二維到三維的轉(zhuǎn)變。

2.1 資料收集整理

收集青海750 kV輸電工程的線路路徑、環(huán)水保的設(shè)計措施要求、每基桿塔的塔基地形圖和塔基斷面圖，以及相關(guān)的航飛影像數(shù)據(jù)和地形數(shù)據(jù)，并對收集的上述數(shù)據(jù)進行加工處理，為環(huán)水保三維設(shè)計做準(zhǔn)備。

2.2 線路三維場景建立

通過NSC Globe三維球集成各種影像數(shù)據(jù)、高程數(shù)據(jù)、矢量數(shù)據(jù)以及與環(huán)水保設(shè)計相關(guān)的專題數(shù)據(jù)，建立一個真實的三維交互式現(xiàn)實環(huán)境。開展如下工作：①將測量現(xiàn)場航飛影像和DEM數(shù)據(jù)進行糾正處理；②利用三維設(shè)計平臺提供的數(shù)據(jù)處理工具將影像數(shù)據(jù)、DEM 數(shù)據(jù)及矢量數(shù)據(jù)進行裁剪、調(diào)色等處理；③將影像數(shù)據(jù)和DEM數(shù)據(jù)進行融合并進行切片，然后在三維場景中進行加載[8]。線路三維場景如圖3所示。

圖3 線路三維場景

2.3 環(huán)水保小場景建立

針對上一步建立線路的三維桿塔及其確定的長短腿和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，抽取后加載到三維小場景中，如圖4所示。根據(jù)施工圖階段地質(zhì)、勘測等專業(yè)的塔基地形圖和塔基斷面圖數(shù)據(jù)及地質(zhì)數(shù)據(jù),修正小場景中桿塔的周邊地形，以此構(gòu)建每基桿塔的真實三維場景，便于后期土方量的精確計算。

圖4 環(huán)水保三維小場景

2.4 環(huán)水保措施三維設(shè)計

根據(jù)要采取環(huán)水保措施的類型，從平臺已建的環(huán)水保措施參數(shù)庫選擇實物類措施，然后在三維小場景進行環(huán)水保措施的路徑定位，定位采用以中心樁為原點的局部坐標(biāo)系，借助繪制工具在場景中繪制環(huán)水保具體路徑，通過措施參數(shù)設(shè)置界面逐步調(diào)整措施參數(shù)，得到一個較理想的環(huán)水保三維措施，其設(shè)置界面如圖5所示。

圖5 環(huán)水保措施設(shè)置及三維效果

2.5 環(huán)水保工程量估算

依據(jù)勘測專業(yè)的地形數(shù)據(jù)或高程點數(shù)據(jù)，構(gòu)建互不重疊的不規(guī)則三角網(wǎng)，形成地面的數(shù)字立體模型，基于該模型計算坡面與基面之間的土體體積，即為挖方面積，以此建立與環(huán)水保措施建(構(gòu))筑物的實時映射，挖方量也隨建(構(gòu))筑物的變化而變化。依據(jù)該計算原則，根據(jù)環(huán)水保措施模型提取相關(guān)參數(shù)進行環(huán)保和水保工程量統(tǒng)計，如圖6所示，實現(xiàn)工程量的動態(tài)估算。

圖6 環(huán)水保工程量統(tǒng)計

2.6 環(huán)水保設(shè)計成果移交

數(shù)字化設(shè)計成果移交不同于電子化移交，整合線路工程的地理信息、工程設(shè)計信息和資料，實現(xiàn)對線路工程的三維再現(xiàn)和資料的數(shù)字化管理，滿足環(huán)水保設(shè)計要求，環(huán)水保三維數(shù)字化移交以1∶1的比例顯示真實塔基信息和環(huán)水保措施建(構(gòu))筑物的外圍尺寸，以指定的格式進行移交，包括地理信息、工程設(shè)計圖紙和設(shè)計參數(shù)等，形成國家電網(wǎng)要求的桿塔環(huán)水保措施“一塔一圖”成果文件。

2.7 現(xiàn)場設(shè)計驗收

因傾斜攝影數(shù)據(jù)比正射影像能更加真實地反映現(xiàn)場的三維環(huán)境，可直接進行高度、長度、面積、體積、角度和坡度等的量測，根據(jù)驗收的要求，對每基桿塔進行無人機航測[8]，將處理后的傾斜攝影數(shù)據(jù)添加到三維小場景中，并導(dǎo)入環(huán)水保三維設(shè)計成果，開展環(huán)水保設(shè)計工作的驗收工作，能輔助施工單位分析環(huán)水保專項設(shè)計的各項要求和落實情況，更好協(xié)助環(huán)水保三維設(shè)計的驗收工作[9-10]。其設(shè)計校驗如圖7所示。

圖7 環(huán)水保三維設(shè)計校驗

3 結(jié)論

本文開發(fā)基于航空攝影的輸電線路環(huán)水保三維設(shè)計平臺，并提出了基于此的一種新工作模式，借助三維GIS、數(shù)字孿生和航空攝影技術(shù)，通過工程環(huán)水保措施前期資料和航飛數(shù)據(jù)，構(gòu)建環(huán)水保設(shè)計的三維小場景，在此環(huán)境下進行環(huán)水保的三維正向設(shè)計，在實際工程應(yīng)用中的主要優(yōu)點有：①采用參數(shù)化的方式實現(xiàn)了環(huán)水保措施的快速建模及在線編輯，實現(xiàn)了環(huán)水保措施的正向設(shè)計；②將設(shè)計成果以國家電網(wǎng)要求的設(shè)計格式進行移交，減少了設(shè)計人員對設(shè)計成果再編輯移交。

在這種工作模式下，整個過程節(jié)省了30%左右的設(shè)計交互時間，提高了工作效率。該種工作模式雖在工程中進行了試用，但距離工程設(shè)計中推廣使用還任重道遠，如環(huán)水保措施設(shè)計還未形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，環(huán)水保措施三維設(shè)計操作還較為復(fù)雜，工程量統(tǒng)計的算法還不夠成熟等。